CN108237303B - 一种钢轨窄间隙电弧焊轨机及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨窄间隙电弧焊轨机及其焊接方法，包括焊接机架、焊接夹具机构、XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及操作机构，所述焊接机架包括水平机架和竖直机架，所述焊接夹具机构设置于水平机架上，所述XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及操作机构设置在竖直机架上。本钢轨窄间隙电弧焊轨机采用模块化设计，结构简单，安装及拆卸方便，重量轻且自动化操作简单，便于焊接大型设备无法焊接的角落、道岔等；采用自保护药芯焊丝无需进行气体保护，焊缝质量高。

Description

一种钢轨窄间隙电弧焊轨机及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊轨设备，尤其是涉及一种钢轨窄间隙电弧焊轨机及其焊接方法，属于焊轨技术领域。

背景技术

目前，高铁无缝钢轨焊接事业应用在国内取得良好的发展。关于钢轨的焊接方法主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊4种方法。其中，固定式闪光焊主要用于厂焊或基地焊，移动式闪光焊及移动式气压焊用于单元轨节现场焊，铝热焊及电弧焊常用于现场锁定焊、大修换轨和道岔焊接。但是以上4种钢轨焊接方法都存在一定的不足，致使铺设无缝线路的技术不能进一步提升。

电弧焊是采用极间低电压大流量持续供电所产生的电弧，将金属熔化后进行焊接的一种方法，它是现代工业生产的一项重要加工工艺，具有省金属材料，减轻劳动强度，提高生产效率，以及保持良好的水密、气密等特点。

在世界各国铁路中，使用较多的焊接方法为闪光焊及铝热焊，而电弧焊却使用得很少，国内更是很少关于焊接钢轨专用的电弧焊轨机。未来的中国钢轨焊接趋势，势必也会向设备小型化、智能化的方向发展，所以研发高铁建设用全自动钢轨窄间隙电弧焊轨机具有充分必要和价值。

发明内容

鉴于以上所述，本发明要解决的技术问题为：提供一种钢轨窄间隙电弧焊轨机及其焊接方法，设备结构合理易安装，焊接效率高且质量稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢轨窄间隙电弧焊轨机，包括焊接机架、焊接夹具机构、XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及操作机构，

所述焊接机架包括水平机架和竖直机架，在水平机架的边框上设置有定位连接销，在竖直机架的底端设置有与定位连接销尺寸匹配的固定套筒，

所述竖直机架通过固定套筒插接于水平机架上的定位连接销上，所述焊接夹具机构设置在水平机架上，所述XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及操作机构设置在竖直机架上，所述操作机构线路连接于XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及焊接夹具机构，控制各机构的电机运动，

所述水平机架包括两个侧边、以及连接于两个侧边之间的多个横梁，所述横梁位于待焊接钢轨顶边上，在每个横梁上设置垂直于待焊接钢轨顶边的调节螺栓，通过调节螺栓调节水平机架在待焊接钢轨顶边上的平整度，

在每个横梁的一端设置活动开口以及位于活动开口两边的连接板，且相邻横梁上的活动开口及连接板均对角设置，

在每个横梁的活动开口部位均设置一个弹性夹紧块，所述弹性夹紧块穿过活动开口并铰接于连接板上，在每个横梁下端靠近弹性夹紧块位置设置固定螺栓，通过调节固定螺栓挤压弹性夹紧块，从而将水平机架夹紧在待焊接钢轨上，

所述焊接夹具机构包括侧壁夹具组件和底座夹具组件，所述侧壁夹具组件包括一个侧壁夹具电机及两套对称设置的电极连接杆、电极夹具、电极块，所述电极连接杆一端通过活动螺栓设置在水平机架上，电极连接杆的另一端设置电极夹具，在电极夹具上设置电极块，

所述侧壁夹具电机设置在水平机架上，在侧壁夹具电机的转动轴承上设置转动盘，每个电极连接杆的中部位置铰接活动连杆且活动连杆的另一端设置在转动盘上，通过侧壁夹具电机带动转动盘转动，从而活动连杆带动电极连接杆收紧运动，实现两个电极块夹住待焊接钢轨，

所述底座夹具组件包括两套底座固定螺帽、底座连接杆及底座夹具，所述底座固定螺帽设置在水平机架上，底座连接杆上部设置螺纹且底座连接杆螺纹连接于底座固定螺帽上，所述底座夹具活动设置在底座连接杆的另一端，通过底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部，

所述XYZ位移机构包括Z向升降组件、X向位移组件和Y向位移组件，所述Z向升降组件包括Z向机壳、升降电机、升降螺杆及升降方形螺纹套杆，Z向机壳设置于竖直机架的侧壁上，升降电机设置在Z向机壳顶部，升降螺杆位于Z向机壳内部并且升降螺杆一端连接于升降电机的传动轴，升降方形螺纹套杆套接于升降螺杆上，升降方形螺纹套杆的另一端设置Z向固定平台，通过升降电机带动升降螺杆转动，升降螺杆旋转带动升降方形螺纹套杆，从而带动Z向固定平台升降运动，

所述Y向位移组件设置在Z向固定平台上，所述Y向位移组件包括Y向机壳、Y向电机、Y向螺杆及Y向方形螺纹套杆，所述Y向电机设置在Y向机壳一端并与Y向机壳内部的Y向螺杆通过传动轴相连接，Y向螺杆与Y向方形螺纹套杆通过螺纹相套接，在Y向方形螺纹套杆的另一端设置Y向固定平台，通过Y向电机带动Y向螺杆转动，Y向螺杆旋转带动Y向固定平台，从而带动Y向固定平台Y向运动，

所述X向位移组件设置在Y向固定平台上，所述X向位移组件包括X向机壳、X向电机、X向螺杆及X向方形螺纹套杆，同样，所述X向电机设置在X向机壳一端并与X向机壳内部的X向螺杆相连接，X向螺杆与X向方形螺纹套杆通过螺纹相套接，在X向方形螺纹套杆的另一端设置摆动固定平台，通过X向电机带动X向螺杆转动，X向螺杆旋转带动X向固定平台，从而带动摆动固定平台X向运动，

所述摆动机构包括控制摇摆的步进马达、以及与步进马达的传动轴相连接的摆动连接杆，所述步进马达设置在摆动固定平台上，在摆动连接杆另一端设置焊咀，通过步进马达带动摆动连接杆运动，从而控制焊咀的摆动，

所述送丝机构包括焊丝盘、送丝机及送丝管，所述焊丝盘设置在竖直机架顶部，所述焊丝盘、送丝机及焊咀通过送丝管相连接，所述送丝机包括送丝电机及滑轮，所述滑轮与送丝电机的传动轴相连接，焊丝盘上的焊丝穿过送丝管达到送丝机，通过送丝电机带动滑轮滚动，从而进行引导焊丝下行，再经过送丝管直至穿过焊咀达到待焊接钢轨上。

作为优选，所述弹性夹紧块穿过活动开口并通过活动螺栓铰接于连接板上，便于更换不同形状的弹性夹紧块以匹配不同类型的钢轨。

作为优选，所述电极夹具上设置固定螺栓，通过固定螺栓将电极块固定在电极夹具上，便于更换不同形状的电极块满足焊接不同钢轨（轨腰部分）的需要。

作为优选，所述Z向机壳、Y向机壳、X向机壳内均对称设置2至4个方形螺纹套杆滑轮，便于方形螺纹套杆的稳定光滑运动。

作为优选，所述水平机架的两端均设置把手，所述竖直机架的顶部设置把手，竖直机架的底端设置滚轮，便于焊接机架的安装、拆卸及运输。

作为优选，所述焊接机架采用空心四方管材，使得重量减轻，两人可以轻松抬动。

本钢轨窄间隙电弧焊轨机的焊接方法为：

S1：将钢轨窄间隙电弧焊轨机运动至待待焊接钢轨的焊缝位置，通过调节螺栓调节水平机架在待焊接钢轨顶边上的平整度，通过底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部；

S2：通过侧壁夹具电机带动转动盘转动，将两个电极块夹住待焊接钢轨两侧，调节底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部；

S3：接通电源；

S4：引弧焊接，PLC自动控制。

本发明采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本钢轨窄间隙电弧焊轨机采用模块化设计，结构简单，安装及拆卸方便，造作简单，便于焊接大型设备无法焊接的角落、岔道等；采用自保护药芯焊丝无需进行气体保护，焊缝质量高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明弹性夹紧块部分放大结构示意图；

图3为本发明水平机架结构示意图；

图4为本发明竖直机架结构示意图；

图5为本发明水平机架背面局部放大示意图。

图中：1-水平机架，2-竖直机架，3-操作机构，6-X向位移组件， 7-Y向位移组件，8-摆动机构，101-定位连接销，102-侧边，103-横梁，104-弹性夹紧块，105-固定螺栓，201-升降电机，202-升降螺杆，203-升降方形螺纹套杆，204-Z向固定平台，205-方形螺纹套杆滑轮，401-侧壁夹具电机，402-电极连接杆，403-电极夹具，404-转动盘，405-活动连杆，407-底座连接杆，408-底座夹具，501-焊丝盘，502-送丝机，503-送丝管，504-焊咀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图5，本发明一较佳实施例所述的

一种钢轨窄间隙电弧焊轨机，包括焊接机架、焊接夹具机构、XYZ位移机构、送丝机构502、摆动机构8及操作机构3，

所述焊接机架包括水平机架1和竖直机架2，在水平机架1的边框上设置有定位连接销101，在竖直机架2的底端设置有与定位连接销101尺寸匹配的固定套筒，

所述竖直机架2通过固定套筒插接于水平机架1上的定位连接销101上，所述焊接夹具机构设置在水平机架1上，所述XYZ位移机构、送丝机构502、摆动机构8及操作机构3设置在竖直机架2上，所述操作机构3线路连接于XYZ位移机构、送丝机构502、摆动机构8及焊接夹具机构，控制各机构的电机运动，

所述水平机架1包括两个侧边102、以及连接于两个侧边102之间的多个横梁103，所述横梁103位于待焊接钢轨顶边上，在每个横梁103上设置垂直于待焊接钢轨顶边的调节螺栓，通过调节螺栓调节水平机架1在待焊接钢轨顶边上的平整度，

在每个横梁103的一端设置活动开口以及位于活动开口两边的连接板，且相邻横梁103上的活动开口及连接板均对角设置，

在每个横梁103的活动开口部位均设置一个弹性夹紧块104，所述弹性夹紧块104穿过活动开口并铰接于连接板上，在每个横梁103下端靠近弹性夹紧块104位置设置固定螺栓105，通过调节固定螺栓105挤压弹性夹紧块104，从而将水平机架1夹紧在待焊接钢轨上，

所述焊接夹具机构包括侧壁夹具组件和底座夹具组件，所述侧壁夹具组件包括一个侧壁夹具电机401及两套对称设置的电极连接杆402、电极夹具403、电极块，所述电极连接杆402一端通过活动螺栓设置在水平机架1上，电极连接杆402的另一端设置电极夹具403，在电极夹具403上设置电极块，

所述侧壁夹具电机401设置在水平机架1上，在侧壁夹具电机401的转动轴承上设置转动盘，每个电极连接杆402的中部位置铰接活动连杆405且活动连杆405的另一端设置在转动盘上，通过侧壁夹具电机401带动转动盘转动，从而活动连杆带动电极连接杆402收紧运动，实现两个电极块夹住待焊接钢轨，

所述底座夹具组件包括两套底座固定螺帽、底座连接杆407及底座夹具408，所述底座固定螺帽设置在水平机架1上，底座连接杆407上部设置螺纹且底座连接杆407螺纹连接于底座固定螺帽上，所述底座夹具408活动设置在底座连接杆407的另一端，通过底座连接杆407螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具408顶住待焊接钢轨的底部，

所述XYZ位移机构包括Z向升降组件、X向位移组件6和Y向位移组件7，所述Z向升降组件包括Z向机壳、升降电机201、升降螺杆202及升降方形螺纹套杆203，Z向机壳设置于竖直机架2的侧壁上，升降电机201设置在Z向机壳顶部，升降螺杆202位于Z向机壳内部并且升降螺杆202一端连接于升降电机201的传动轴，升降方形螺纹套杆203套接于升降螺杆202上，升降方形螺纹套杆203的另一端设置Z向固定平台204，通过升降电机201带动升降螺杆202转动，升降螺杆202旋转带动升降方形螺纹套杆203，从而带动Z向固定平台204升降运动，

所述Y向位移组件7设置在Z向固定平台204上，所述Y向位移组件7包括Y向机壳、Y向电机、Y向螺杆及Y向方形螺纹套杆，所述Y向电机设置在Y向机壳一端并与Y向机壳内部的Y向螺杆通过传动轴相连接，Y向螺杆与Y向方形螺纹套杆通过螺纹相套接，在Y向方形螺纹套杆的另一端设置Y向固定平台，通过Y向电机带动Y向螺杆转动，Y向螺杆旋转带动Y向固定平台，从而带动Y向固定平台Y向运动，

所述X向位移组件6设置在Y向固定平台上，所述X向位移组件6包括X向机壳、X向电机、X向螺杆及X向方形螺纹套杆，同样，所述X向电机设置在X向机壳一端并与X向机壳内部的X向螺杆相连接，X向螺杆与X向方形螺纹套杆通过螺纹相套接，在X向方形螺纹套杆的另一端设置摆动固定平台，通过X向电机带动X向螺杆转动，X向螺杆旋转带动X向固定平台，从而带动摆动固定平台X向运动，

所述摆动机构8安装在X向固定平台上，所述摆动机构8包括控制摇摆的步进马达、以及与步进马达的传动轴相连接的摆动连接杆，所述步进马达设置在摆动固定平台上，在摆动连接杆另一端设置焊咀504，通过步进马达带动摆动连接杆运动，从而控制焊咀504的摆动，

所述送丝机构502包括焊丝盘501、送丝机502及送丝管503，所述焊丝盘501设置在竖直机架2顶部，所述焊丝盘501、送丝机502及焊咀504通过送丝管503相连接，所述送丝机502包括送丝电机及滑轮，所述滑轮与送丝电机的传动轴相连接，焊丝盘501上的焊丝穿过送丝管503达到送丝机502，通过送丝电机带动滑轮滚动，从而进行引导焊丝下行，再经过送丝管503直至穿过焊咀504达到待焊接钢轨上。

本较佳实施例中，所述弹性夹紧块104穿过活动开口并通过活动螺栓铰接于连接板上，便于更换不同形状的弹性夹紧块104以匹配不同类型的钢轨。

本较佳实施例中，所述电极夹具上设置固定螺栓105，通过固定螺栓105将电极块固定在电极夹具上，便于更换不同形状的电极块满足焊接不同钢轨（轨腰部分）的需要。

本较佳实施例中，所述Z向机壳、Y向机壳、X向机壳内均对称设置4个方形螺纹套杆滑轮205，便于方形螺纹套杆的稳定光滑运动。

本较佳实施例中，所述水平机架1的两端均设置把手，所述竖直机架2的顶部设置把手，竖直机架2的底端设置滚轮，便于焊接机架的安装、拆卸及运输。

本较佳实施例中，所述焊接机架采用空心四方管材，使得重量减轻，两人可以轻松抬动。

本钢轨窄间隙电弧焊轨机的焊接方法为：

S1：将钢轨窄间隙电弧焊轨机运动至待待焊接钢轨的焊缝位置，通过调节螺栓调节水平机架在待焊接钢轨顶边上的平整度，通过底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部；

S2：通过侧壁夹具电机带动转动盘转动，将两个电极块夹住待焊接钢轨两侧，调节底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部；

S3：接通电源；

S4：引弧焊接，PLC自动控制。

工艺上的改进点：

1）焊接前钢轨预热至500℃；

2）加入简易热处理炉（氧乙炔火焰），进行焊后热处理（680±30℃，保温10min）；

3）加入水冷装置加速散热；

4）对轨顶使用硬度较高的药芯焊丝焊接，轨腰，轨底脚使用韧性较好的药芯焊丝材料分2阶段焊接，以获得良好的抗压性和抗拉性。

Claims (7)

1.一种钢轨窄间隙电弧焊轨机，包括焊接机架、焊接夹具机构、XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及操作机构，其特征在于：

所述焊接机架包括水平机架和竖直机架，在水平机架的边框上设置有定位连接销，在竖直机架的底端设置有与定位连接销尺寸匹配的固定套筒，

所述竖直机架通过固定套筒插接于水平机架上的定位连接销上，所述焊接夹具机构设置在水平机架上，所述XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及操作机构设置在竖直机架上，所述操作机构线路连接于XYZ位移机构、送丝机构、摆动机构及焊接夹具机构，

所述水平机架包括两个侧边、以及连接于两个侧边之间的多个横梁，所述横梁位于待焊接钢轨顶边上，在每个横梁上设置垂直于待焊接钢轨顶边的调节螺栓，

在每个横梁的一端设置活动开口以及位于活动开口两边的连接板，且相邻横梁上的活动开口及连接板均对角设置，

在每个横梁的活动开口部位均设置一个弹性夹紧块，所述弹性夹紧块穿过活动开口并铰接于连接板上，在每个横梁下端靠近弹性夹紧块位置设置固定螺栓，

所述焊接夹具机构包括侧壁夹具组件和底座夹具组件，所述侧壁夹具组件包括一个侧壁夹具电机及两套对称设置的电极连接杆、电极夹具、电极块，所述电极连接杆一端通过活动螺栓设置在水平机架上，电极连接杆的另一端设置电极夹具，在电极夹具上设置电极块，

所述侧壁夹具电机设置在水平机架上，在侧壁夹具电机的转动轴承上设置转动盘，每个电极连接杆的中部位置铰接活动连杆且活动连杆的另一端设置在转动盘上，所述底座夹具组件包括两套底座固定螺帽、底座连接杆及底座夹具，所述底座固定螺帽设置在水平机架上，底座连接杆上部设置螺纹且底座连接杆螺纹连接于底座固定螺帽上，所述底座夹具活动设置在底座连接杆的另一端，

所述XYZ位移机构包括Z向升降组件、X向位移组件和Y向位移组件，所述Z向升降组件包括Z向机壳、升降电机、升降螺杆及升降方形螺纹套杆，Z向机壳设置于竖直机架的侧壁上，升降电机设置在Z向机壳顶部，升降螺杆位于Z向机壳内部并且升降螺杆一端连接于升降电机的传动轴，升降方形螺纹套杆套接于升降螺杆上，升降方形螺纹套杆的另一端设置Z向固定平台，

所述Y向位移组件设置在Z向固定平台上，所述Y向位移组件包括Y向机壳、Y向电机、Y向螺杆及Y向方形螺纹套杆，所述Y向电机设置在Y向机壳一端并与Y向机壳内部的Y向螺杆通过传动轴相连接，Y向螺杆与Y向方形螺纹套杆通过螺纹相套接，在Y向方形螺纹套杆的另一端设置Y向固定平台，

所述X向位移组件设置在Y向固定平台上，所述X向位移组件包括X向机壳、X向电机、X向螺杆及X向方形螺纹套杆，同样，所述X向电机设置在X向机壳一端并与X向机壳内部的X向螺杆相连接，X向螺杆与X向方形螺纹套杆通过螺纹相套接，在X向方形螺纹套杆的另一端设置摆动固定平台，

所述摆动机构包括控制摇摆的步进马达、以及与步进马达的传动轴相连接的摆动连接杆，所述步进马达设置在摆动固定平台上，在摆动连接杆另一端设置焊咀，

所述送丝机构包括焊丝盘、送丝机及送丝管，所述焊丝盘设置在竖直机架顶部，所述焊丝盘、送丝机及焊咀通过送丝管相连接，所述送丝机包括送丝电机及滑轮，所述滑轮与送丝电机的传动轴相连接。

2.根据权利要求1所述的钢轨窄间隙电弧焊轨机，其特征在于：所述弹性夹紧块穿过活动开口并通过活动螺栓铰接于连接板上。

3.根据权利要求1所述的钢轨窄间隙电弧焊轨机，其特征在于：所述电极夹具上设置固定螺栓，通过固定螺栓将电极块固定在电极夹具上。

4.根据权利要求1所述的钢轨窄间隙电弧焊轨机，其特征在于：所述Z向机壳、Y向机壳、X向机壳内均对称设置2至4个方形螺纹套杆滑轮。

5.根据权利要求1所述的钢轨窄间隙电弧焊轨机，其特征在于：所述水平机架的两端均设置把手，所述竖直机架的顶部设置把手，竖直机架的底端设置滚轮。

6.根据权利要求1所述的钢轨窄间隙电弧焊轨机，其特征在于：所述焊接机架采用空心四方管材。

7.一种钢轨窄间隙电弧焊轨机的焊接方法，基于权利要求1-6任一所述的钢轨窄间隙电弧焊轨机，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将钢轨窄间隙电弧焊轨机运动至待待焊接钢轨的焊缝位置，通过调节螺栓调节水平机架在待焊接钢轨顶边上的平整度，通过底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部；

S2：通过侧壁夹具电机带动转动盘转动，将两个电极块夹住待焊接钢轨两侧，调节底座连接杆螺纹拧紧在底座固定螺帽上调整高度使得底座夹具顶住待焊接钢轨的底部；

S3：接通电源；S4：引弧焊接，PLC自动控制。